本發(fā)明涉及電流體動力噴印設備領域，具體涉及一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，其能夠實現(xiàn)高頻，高分辨率打印，且能適用于曲面等不同形狀的基板打印。

背景技術：

電流體動力噴印是通過在噴頭和基板之間施加高壓電，形成強電場，將溶液從噴頭拉出，可形成點噴，噴霧和紡絲等工藝。電流體動力噴印是通過泰勒錐進行噴射，泰勒錐的幾何尺寸遠小于噴頭的尺寸，因此可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)噴墨打印更高的分辨率。

電流體動力噴印目前有兩種工作模式，一種是在噴頭和基板之間施加之流高壓，形成連續(xù)式噴印，另一種是在噴頭和基板之間施加方波，形成按需噴印(drop-on-demand)。其中按需噴印相較于連續(xù)噴印，具有液滴大小可控，在基板上沉積出的墨滴的精度和分辨率高，能夠實現(xiàn)更好的定位，可靠性好。

現(xiàn)有的電噴印設備是通過在噴頭和基板之間直接施加高壓來進行噴印的，這樣的方式有如下的缺點：

一是實現(xiàn)按需噴印需要交流電壓，交流電壓從零壓上升至設定值需要一定的時間，達到穩(wěn)定也需要一定的時間，從而就限制了可用于按需噴印的交流電壓的頻率，使得按需噴印無法在高頻下實現(xiàn)高分辨率的噴印。

二是電噴印從噴嘴噴射出的是帶電液滴，其體積小，從噴頭飛行至基板的這段時間內容易受到外界電場的干擾，從而影響了定位精度。目前的電噴印設備噴頭和基板之間處于開放的狀態(tài)，無法實現(xiàn)墨滴的精度可控。

三是現(xiàn)有的電流體噴印設備所使用的基板為平面形的基板，在平面基板上施加電壓可保證電場有良好的均勻性。而在曲面上施加電壓，則電場不均勻，不可控。因此現(xiàn)有的電噴印設備無法滿足在曲面或是其他復雜形狀的基板上進行噴射。

由于存在上述缺陷和不足，本領域亟需做出進一步的完善和改進，設計一種集成噴頭，使其能夠在高頻率下實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的液滴噴射，且能夠實現(xiàn)在曲面或其他復雜形狀的基板上進行噴射。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供一種新型的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，通過壓電薄膜來控制噴印的頻率，實現(xiàn)高頻打印，在噴頭下方集成下電極，將原本施加于基板上的電壓施加于噴頭下方的電極，在噴嘴和下電極之間施加一個和噴嘴出的電極極性相同的電場，來提高墨滴飛行時的定位性，將噴頭和下電極之間的支撐做成空腔，便于飛濺至支撐壁上的衛(wèi)星液滴往下滑動，支撐環(huán)上設有微流道，方便氣流輔助用于通氣將飛濺至支撐壁上的液滴沖走，噴頭所需5個電極，將5個電極集成一處形成插口式，方便噴頭電極的裝拆，還具有結構簡單、制造成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，其特征在于，包括外部支架、以及在外部支架內從上至下依次設置的壓電結構、噴頭、下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)，

其中，所述外部支架上端開設有一供液口，底端開設有一出液口，所述壓電結構位于外部支架的內部上端，所述壓電結構包括從上至下依次設置的電極引腳、壓電上電極、壓電薄膜和壓電下電極，所述壓電結構下方還設置有振動片，所述壓電結構密封在一內部支架內，僅電極引腳和壓電下電極伸出與導電塊相連，

所述壓電下電極和振動片上開有一入液孔，從供液口進入的溶液通過該入液孔流入振動片下方的噴頭內，所述噴頭下端設置有凸出的噴嘴，所述噴嘴上部設有空腔用于容納溶液，所述壓電結構位于所述空腔的上方，所述噴嘴正對出液口，使得整個噴印系統(tǒng)更加靈活，能夠使用復雜形狀的基板進行打印。

所述噴頭上部設置有一上電極，所述上電極與導電塊連接給溶液通電，所述噴頭下方依次設置有下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)，所述下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)同軸套設在所述噴嘴外圍，所述上電極和下電極環(huán)均通過導電塊與外部電源接通。

具體地，在噴頭上方設置壓電結構，通過壓電結構來控制噴印的頻率，實現(xiàn)高頻打印，而在噴頭下方集成下電極，將原本施加于基板上的電壓施加于噴頭下方的電極，在噴嘴和下電極之間施加一個和噴嘴出的電極極性相同的電場，來提高墨滴飛行時的定位性，

進一步優(yōu)選地，所述振動片與噴頭之間通過支撐結構支撐，該支撐結構包括左肩塊和右肩塊，所述上電極設置在右肩塊和噴頭之間，所述支撐結構內部設置限流結構，防止溶液在壓電結構的作用下產(chǎn)生回流。

優(yōu)選地，所述噴嘴上部的空腔為上寬下窄的漏斗形，所述噴頭采用二氧化硅材料，使用刻蝕工藝制作而成。氣泡會對打印的過程造成致命的影響，會導致射流不穩(wěn)定或是溶液噴不出來，所以應當盡可能的避免溶液中產(chǎn)生氣泡。噴頭的上部分做成漏斗狀，方便溶液的流通并且能夠減少溶液在流入噴嘴時氣泡的產(chǎn)生。

優(yōu)選地，所述噴頭下方還設有凸出的外環(huán)，該外環(huán)的內徑大于噴嘴的外徑，所述下電極支撐環(huán)上端為噴嘴連接環(huán)，該噴嘴連接環(huán)上部為凸臺結構，該凸臺結構與噴頭上凸出的外環(huán)相配合。外環(huán)與支撐環(huán)之間的配合保證了對噴頭的穩(wěn)定支撐，且保證了外環(huán)的強度，利于延長噴頭的使用壽命。

優(yōu)選地，所述下電極支撐環(huán)還包括設置在噴嘴連接環(huán)下面的矯正電極環(huán)和下電極連接環(huán)，所述矯正電極環(huán)通過導電塊連接導電線通入矯正電壓。通過矯正電極環(huán)的設置，在必要時添加矯正電壓，提高墨滴的對中性能，從而能夠提高液滴的定位精度，實現(xiàn)更為精確、精細的打印效果。

優(yōu)選地，所述下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)的內圓共同形成空腔，所述外環(huán)和噴嘴連接環(huán)的凸臺結合處設置有一微流道，在微流道中通入氣流，沖洗附著在支撐壁上的液滴。環(huán)形的下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)形成的空腔內壁，便于飛濺至支撐壁上的衛(wèi)星液滴往下滑動，實現(xiàn)支撐壁上液滴的清理。通過微流道的設置，方便氣流將飛濺至空腔內壁上的液滴沖走，實現(xiàn)支撐壁的清洗，避免堵塞影響液滴噴射的精確度。

優(yōu)選地，所述導電塊分別通過導電線引出后集成到一處，構成具有插拔結構的插頭。將導電線集成到一處構成插頭，可以使供電線路簡單，方便噴頭快速地實現(xiàn)拆裝。

優(yōu)選地，所述噴頭和壓電結構之間的支撐結構由絕緣材料構成，優(yōu)選采用玻璃制成。

優(yōu)選地，所述上電極、矯正電極環(huán)和下電極環(huán)均采用導電金屬材料制成，優(yōu)選地，所述上電極采用鋁制成，所述矯正電極環(huán)和下電極環(huán)采用金制成。

優(yōu)選地，所述噴嘴連接環(huán)和下電極連接環(huán)采用絕緣材料制成，優(yōu)選地，所述噴嘴連接環(huán)采用二氧化硅制成，所述下電極連接環(huán)采用玻璃制成。

高純度的二氧化硅材料具有良好的絕緣性能，作為噴頭材料能夠起到良好的絕緣作用，而采用玻璃作為支撐材料，則能夠在保證良好的絕緣效果的同時，降低制造噴頭的成本。另外，鋁和金都具有良好的導電性能，將其作為電極的材料，能夠保證電壓的穩(wěn)定，有利于提高最終的打印精度。

具體地，本發(fā)明的壓電式集成噴頭的工作原理為：在噴頭上方設置有壓電結構，噴頭的底部設置有下電極環(huán)，上電極和噴頭的上方貼合給溶液通電，壓電結構通電之后使得溶液在噴射頭處形成彎月面，上下電極通電后，在噴頭和下電極環(huán)之間形成電場，從而使溶液在噴射頭處形成泰勒錐，最終準確地噴射到基本的設定區(qū)域。必要時，還可以給矯正電極環(huán)施加一定的電壓，使矯正電極環(huán)的極性和液滴中電荷的極性相同，液滴在空腔中飛行時會受到一定的排斥力作用，從而提高液滴的定位精度。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本發(fā)明的壓電式集成噴頭克服了現(xiàn)有的電流體噴印設備不能進行高頻噴射，不能實現(xiàn)高分辨率打印，不能保證較好的定位性，不能使用復雜形狀的基板進行噴射等缺陷與不足，通過壓電結構來控制噴印的頻率，實現(xiàn)高頻打印，在噴頭下方集成下電極，將原本施加于基板上的電壓施加于噴頭下方的電極，在噴嘴和下電極之間施加一個和噴嘴處的電極極性相同的電場，來提高墨滴飛行時的定位性，達到高頻率、高分辨率的打印效果，而且在曲面或其他形狀的基板上均能實現(xiàn)高精度的打印。

(2)本發(fā)明的壓電式集成噴頭通過在噴頭下方設置矯正電極環(huán)，在必要時添加矯正電壓，提高墨滴的對中性能，從而能夠提高液滴的定位精度，實現(xiàn)更為精確、精細的打印效果。而將噴頭和下電極之間的支撐做成空腔，便于飛濺至支撐壁上的衛(wèi)星液滴往下滑動，支撐環(huán)上設有微流道，方便氣流輔助用于通氣將飛濺至支撐壁上的液滴沖走。且本發(fā)明的壓電集成噴頭所需5個電極，將5個電極集成一處形成插口式，方便噴頭電極的裝拆。

(3)本發(fā)明的壓電式集成噴頭克服了現(xiàn)有的電噴印設備不能滿足高頻噴射的缺陷，能夠實現(xiàn)高頻高分辨率的打印，將下電極集成到噴頭端，使得整個噴印系統(tǒng)更加靈活，能夠使用復雜形狀的基板進行打印，還具有結構簡單、制造成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的結構示意圖。

圖2(a)和圖2(b)為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的下電極支撐環(huán)的俯視圖和剖視圖。

圖3(a)和圖3(b)為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的硅基噴頭側視圖和剖視圖。

圖4為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的電極引線示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

1-下電極環(huán)，2下電極支撐環(huán)，21-下電極連接環(huán)，22-矯正電極環(huán)，23-噴嘴連接環(huán)，24-微流道，3-噴頭，31-外環(huán)，32-噴嘴，4-上電極，51、52、53、54、55-導電塊，61-外支架，62-內部支架，7-壓電結構，71-電極引腳，72-壓電上電極，73-壓電薄膜，74-壓電下電極，75-振動片，8-支撐結構，81-右肩塊，82-左肩塊，91-供液口，92-入液口，93-出液口。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的結構示意圖。如圖1所示，其包括外部支架61、以及在外部支架61內從上至下依次設置的壓電結構7、噴頭3、下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1，

其中，所述外部支架61上端開設有一供液口91，底端開設有一出液口93，所述壓電結構7位于外部支架61的內部上端，所述壓電結構7包括從上至下依次設置的電極引腳71、壓電上電極72、壓電薄膜73和壓電下電極74，所述壓電結構7下方還設置有振動片75，所述壓電結構7密封在一內部支架62內，僅電極引腳71和壓電下電極74伸出與導電塊相連，

所述壓電下電極74和振動片75上開有一入液孔92，從供液口91進入的溶液通過該入液孔92流入振動片75下方的噴頭3內，所述噴頭3下端設置有凸出的噴嘴32，所述噴嘴32上部設有空腔用于容納溶液，所述壓電結構7位于所述空腔的上方，所述噴嘴32正對出液口93，

所述噴頭3上部設置有一上電極4，所述上電極4與導電塊連接給溶液通電，所述噴頭3下方依次設置有下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1，所述下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1同軸套設在所述噴嘴32外圍，所述上電極4和下電極環(huán)1均通過導電塊與外部電源接通。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述振動片與噴頭3之間通過支撐結構8支撐，該支撐結構8包括左肩塊82和右肩塊81，所述上電極4設置在右肩塊81和噴頭3之間，所述支撐結構8內部設置限流結構，防止溶液在壓電結構7的作用下產(chǎn)生回流。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴嘴32上部的空腔為上寬下窄的梯形結構，所述噴頭3采用二氧化硅材料，使用刻蝕工藝制作而成。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴頭3下方還設有凸出的外環(huán)31，該外環(huán)31的內徑大于噴嘴32的外徑，所述下電極支撐環(huán)2上端為噴嘴連接環(huán)23，該噴嘴連接環(huán)23上部為凸臺結構，該凸臺結構與噴頭3上凸出的外環(huán)31相配合。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述下電極支撐環(huán)2還包括設置在噴嘴連接環(huán)23下面的矯正電極環(huán)22和下電極連接環(huán)21，所述矯正電極環(huán)22通過導電塊5連接導電線通入矯正電壓。使用噴頭打印的過程中，由于溶液的不均勻，溶液中有氣泡或是施加的電壓波動范圍較大等因素會導致射流飛濺，最終落至支撐壁上。下電極支撐環(huán)的內部為空腔，可以利用下電極環(huán)形成的電場，將落在空腔內壁上的液滴拉出空腔。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)的內圓共同形成空腔，所述外環(huán)31和噴嘴連接環(huán)23的凸臺結合處設置有一微流道24，在微流道24中通入氣流，沖洗附著在空腔內壁上的液滴。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述導電塊分別通過導電線引出后集成到一處，構成具有插拔結構的插頭。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴頭3和壓電結構7之間的支撐結構8由絕緣材料構成，優(yōu)選采用玻璃制成，在另一具體實施例中，右肩塊81和上電極4之間可由膠水密封。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述上電極4、矯正電極環(huán)22和下電極環(huán)1均采用導電金屬材料制成，優(yōu)選地，所述上電極4采用鋁(Al)制成，所述矯正電極環(huán)22和下電極環(huán)1采用金(Au)制成。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴嘴連接環(huán)23和下電極連接環(huán)21采用絕緣材料制成，優(yōu)選地，所述噴嘴連接環(huán)23采用二氧化硅制成，所述下電極連接環(huán)21采用玻璃制成。

為更好地解釋本發(fā)明，以下給出一個具體實施例：

參見圖1，一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，由壓電結構7，噴頭3，下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1構成。參見圖3(a)和圖3(b)，所述噴頭3為二氧化硅采用刻蝕工藝制作而成，噴頭3的上部分做成漏斗狀，方便溶液的流通并且能夠減少溶液在流入噴嘴32時氣泡的產(chǎn)生。氣泡會對打印的過程造成致命的影響，會導致射流不穩(wěn)定或是溶液噴不出來，所以應當盡可能的避免溶液中產(chǎn)生氣泡。噴嘴32的內徑視工藝而定，噴嘴32的壁厚應大于35um，一方面方便噴嘴加工，另一方面提供噴嘴15的穩(wěn)定性。噴嘴的高度略大于噴嘴的外徑。噴嘴3外環(huán)31的環(huán)厚應略小于噴嘴32的外徑，以保證其強度。上電極4的材料為Al,主要功能是給溶液通電，上電極4和噴嘴3通過貼合在一起，上電極引出后和導電塊51相接，進而可以引出導線。

參見圖2(a)和圖2(b)，下電極支撐環(huán)2由玻璃制成，一是玻璃相對于硅片而言容易加工，可以降低成本，另一方面是需要良好的絕緣性能。使用硅基噴頭打印的過程中，由于溶液的不均勻，溶液中有氣泡或是施加的電壓波動范圍較大等因素會導致射流飛濺，最終落至支撐壁上。下電極支撐環(huán)2的內部為空腔，可以利用下電極環(huán)1形成的電場，將落在支撐壁上的液滴拉出空腔。下電極環(huán)支撐2中的矯正電極環(huán)22的極性和液滴中電荷的極性相同，液滴在空腔中飛行時會受到一定的排斥力作用，矯正電極因此可以提高液滴的定位精度。下電極支撐環(huán)2和噴嘴3相接觸的部分做有微流道24。微流道24中通入氣流，沖洗附著在支撐壁上的液滴。

參見圖4，該壓電式集成噴頭一共需要5個電極，分別是：用于提供高壓的下電極環(huán)1，用于給溶液供電的上電極4，用于矯正液滴飛行的矯正電極環(huán)22，用于給壓電結構供電的壓電下電極74，用于給壓電結構供電的壓電上電極72。5個電極引與相應的導電塊相連接，每個導電塊均有導線與之相連，導支架61和內部支架62引出后做成一體的插拔式結構。

5個電極有著不同的供電方式。使用壓電驅動器給壓電結構的壓電上電極72和壓電下電極74供電，壓電驅動器受PC端控制，可以設定不同頻率的和幅值的梯形波。使用可調的高壓電源給矯正電極環(huán)22和下電極環(huán)1和上電極4供電，上電極4提供正電勢，給矯正電極環(huán)22提供低于上電極4的正電勢，下電極1接地。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。